CN106537107A - 智能连结器 - Google Patents
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Abstract
一种用于保护旋转机电系统免受损害的系统，包括：连结器，配置用于将力矩提供器与负载连接，包括：第一通信装置；第一CPU；第一能量提供装置；以及至少一个传感器；控制单元包括：第二通信装置；第二能量提供装置；以及第二CPU；所述连结器配置为使用所述至少一个传感器执行测量并且与所述控制单元通信。
Description
技术领域
本发明总体涉及旋转机电系统，具体涉及用于保护旋转机电系统免受机械过载引起的损坏的计算装置。
相关专利申请的交叉引用
本专利申请要求美国临时专利申请序号61/974,464的优先权并与其相关，该美国临时专利申请的申请日为2014年4月3日，通过引用全部并入本文。
背景技术
设计和构建旋转机电系统的惯例是机械连结器设备的使用。
连结器是一种用于将两个轴在它们端部连接在一起的设备，用于传送能量。连结器的主要目的在于连结两个旋转设备，同时允许一定程度的安装误差。
轴连结器由于多个目的用于机械中，其中最常用的为如下这些：
-提供多个分别制造的单元的轴连结，例如电机(电机和齿轮输入，齿轮输出和负载)并且用于提供断开以维修或更换。
-提供轴的安装误差或者用于引入机械柔性。
-为了降低轴到轴冲击载荷的传输。
-为了改变旋转单元的振动特性。
机械过载会损坏或者中断系统操作。
机械系统中未检测到的过载的后果是严重的。无数系统一直承受过载损害。过载会突然发生(例如，一些物体落入旋转区域内)或者在多个月操作中逐渐累积，而没有被注意到。
当过载故障发生的时候，损坏会采用很多不同的方式显现，例如局部的系统损坏，生产线停转很多小时或很多天，火灾危害等。经济影响会非常巨大。
连结器通常不会允许操作过程中断开轴，然而有一些专用扭矩限制连接器，当超过某些扭矩限值的时候可以滑动或断开。现有技术所保护的连接器有一些缺点：
●滑动连结器会滑动非常长的时间而不会被注意到。
●当检测到滑动的时候，维修人员通常倾向于仅紧固调整螺丝作为快速维修，不考虑期望的保护水平，由此使得该保护没有用。
●断开(机械熔断)型保护使得一旦故障就更换连结器单元设备，处于与维修过载的主要原因相关的费用之首。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于保护旋转机电系统免受损害的系统，包括：
-连结器，配置用于将力矩提供器与负载连接，
包括：
-第一通信装置；
-第一CPU；
-第一能量提供装置；以及
-至少一个传感器；
-控制单元，包括：
-第二通信装置；
-第二能量提供装置；以及
-第二CPU；
所述连结器配置用于使用所述至少一个传感器，用于执行测量以及与所述控制单元通信。
第一能量提供装置包括集成发电机。
第一能量提供装置包括电池。
控制单元另外包括开关，配置用于关闭或打开所述力矩提供器的电源。
连结器另外包括第一输入装置。
控制单元另外包括第二输入装置。
第一输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
第二输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
连结器另外包括与所述第一CPU连接的显示器。
控制单元另外包括与所述第二CPU连接的显示器。
至少一个传感器包括扭矩传感器、振动传感器、速度传感器、惯性传感器、霍尔效应传感器、温度传感器、旋转方向传感器和麦克风中至少一个。
控制单元另外包括至少一个传感器。
该至少一个传感器包括温度传感器，振动传感器和麦克风中至少一个。
第一通信装置和第二通信装置包括无线和有线通信中至少一个。
第二能量提供装置包括电源。
第二能量提供装置包括电池。
根据本发明第二方面，提供一种连结器，配置用于将力矩提供器与负载连接，包括：
-CPU；
-能量提供装置；和
-至少一个传感器；
所述连结器配置用于从所述至少一个传感器采样测量值。
连结器另外配置用于保存所述样本。
所述至少一个传感器包括扭矩传感器、振动传感器、速度传感器、惯性传感器、霍尔效应传感器、温度传感器、旋转方向传感器和麦克风中至少一个。
能量提供装置包括集成发电机。
能量提供装置包括电池。
连结器另外包括通信装置。
通信装置包括无线和有线通信中至少一个。
连结器另外包括输入装置。
输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
连结器另外包括与所述CPU连接的显示器。
根据本发明的第三方面，提供一种控制单元，配置用于与力矩提供器通信，包括：
-CPU；
-至少一个传感器；
-能量提供装置；以及
-切断开关，配置用于断开所述力矩提供器电源；
所述控制单元配置用于从所述至少一个传感器采样测量值。
所述控制单元另外配置用于保存所述样本。
所述至少一个传感器包括温度传感器、振动传感器和麦克风中的至少一个。
控制单元另外包括输入装置。
输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
控制单元另外包括与所述CPU连接的显示器。
控制单元另外包括通信装置。
通信装置包括无线和有线通信中至少一个。
能量提供装置包括电源。
能量提供装置包括电池。
根据本发明第四方面，提供一种保护旋转机电系统免受损害的方法，包括：
-通过远程设备采样力矩提供器的输入；
-将所述输入与预定阈值比较；
-向控制单元连续广播消息，所述消息指示远程设备的状态以及比较结果；
-由控制单元分析所述信息；并且
-根据所述分析来确定是否切断所述力矩提供器的电源。
该方法另外包括由发电机发电。
该方法另外包括由所述控制单元和所述远程设备中的至少一个接收至少一个操作参数。
该方法另外包括由所述控制单元和所述远程设备中的至少一个发送与操作测量值相关的一个通知。
该方法另外包括显示事件日志、通知日志和事件图表中的至少一个。
附图的简要说明
为了更好的理解本发明，并且展示同样的是如何执行达到效果的，现在单纯通过举例的方式对附图做出参考。
现在详细地具体参考附图，需要强调所示的细节仅是采用举例的方式且仅是为了对本发明优选实施例说明性的讨论的目的，并且为了提供确信是最有用的并且对本发明原理和概念性方面容易理解的说明而呈现。有鉴于此，不会试图展示比本发明基础理解必要的更细节的本发明结构性细节，与附图一起做出的说明使得对本领域技术人员来说本发明的若干形式在实践中如何具体实现更为清楚。附图中：
图1A为示意图，表示用于实现本发明的系统组件；
图1B为框图，表示用于实现本发明的系统组件；
图2A为根据本发明的旋转机械连结器的示例性示意图；
图2B为附图2A的C-C截面示意图；
图2C为集成发电机的盘；
图3表示根据本发明的示例性旋转机械连结器；
图4表示根据本发明的示例性控制单元；
图5为示意图，表示系统通信；
图6为代表时域内的监测的示例图；
图7为代表频域内的监测的示例图；
图8为示例性事件日志；
图9为示例性通知日志；
图10为流程图，表示根据本发明由控制单元执行的过程；以及
图11为流程图，表示根据本发明由远程设备执行的过程。
优选实施例的详细说明
详细解释本发明至少一个实施例之前，可以理解本发明并不限制其应用在如下说明提出的或附图中展示的组件的结构和配置的细节。本发明对其他实施例也适用或者以多种方式被实践或执行。同样，可以理解的是这里所使用的措辞和术语其目的在于说明，不应当被认为是限制。
设计和构建旋转机电系统的惯例是机械连结器设备的使用。
连结器是一种用于将两个轴在它们端部连接在一起的设备，目的用于传送能量。连结器的主要目的在于连结两个旋转设备，同时允许一定程度的安装误差。
本发明目的在于提供一种装置，用于保护机电系统免受机械过载引起的损坏。
如下说明书中：
旋转机械连结器指的是远程设备。
图1A为示意图，表示系统100组件，包括：控制单元140，与力矩提供器140A，例如电机，连接或相邻，旋转设备110A，例如泵，压缩机等，以及将力矩提供器140A与旋转设备110A连接的旋转机械连结器110(远程设备)。
根据本发明的多个实施例，可以将电力或力矩传输轴连接在力矩提供器140A与旋转机械连结器110之间，或者旋转机械连结器110与旋转设备110A之间。
图1B为框图，表示用于实现本发明的系统组件。
系统100A包括两个部分：
1.旋转机械连结器110，包括：嵌入式扭矩(力矩)计量器115，电子模块(CPU电路)120，无线连结器125以及集成发电机130。
2.控制单元140，包括：电子模块145，无线连结器150，切断开关155和输入/输出装置160。
当已经超过预先编程的扭矩阈值时(故障状态)，电子模块120通过无线连结器125通知控制单元140。
当由连结器110测试到机械过载的情况下，电子模块145可以决定断开力矩提供器的电源。当机械过载超过预定阈值的时候，力矩提供器的电源由切断开关155切断。
集成发电机130为电子模块120的电源，利用系统旋转得到它较低的所需能源消耗。发电机包括磁铁(图2B的245)以及感应器(图2B的250)。当旋转机械连接器110正在旋转的时候，所产生的电能被收集并且作为电子模块120的电源使用。集成发电机具有接近使得其可靠的实际时间的充电时间。发电机操作失效的情况下，控制单元140切断力矩提供器的电源并且发出报警，从而防止任何可能的损害。
图2A为根据本发明的多个实施例的示例旋转机械连结器110的示意图，包括：用户连结器205和力矩提供器连结器230。
图2B为图2A的C-C截面示意图，包括：扭矩轴235，电源电路盘(集成发电机盘)240，磁铁245，感应器250，CPU电路(电子模块)120和应变计255。
连结器110配置用于连接两个旋转设备，同时允许一定程度的安装误差，另外，其包括扭矩测量系统。
扭矩测量系统使用测量电阻的电路来测量扭矩，例如惠斯通(Wheatstone)电桥。电阻值根据扭矩轴的机械形变而改变。
根据本发明的多个实施例，扭矩测量系统通过现有技术已知的任何扭矩测量方法测量扭矩，并且并不限于上面所述的一种。
电子模块120测量操作参数，例如扭矩，以及可选的速度，旋转方向，振动，声音，温度等，并且将测量值传输给控制单元140。控制单元接收测量传输并且包括另外的多个传感器，例如温度传感器和用于噪声测量的麦克风，这使得其可以实施其他测试。
测量值可以保存在旋转机械连结器110以及控制单元140两者之内。
图2C表示具有连接件270的集成发电机盘240，连接件配置用于当旋转机械连结器110旋转的时候确保盘的固定。
图3表示根据本发明的多个实施例的示例性旋转机械连结器110，包括：
-发电机305-一个配置有线圈和整流电路的模块，用于利用设备旋转产生电能，为连结器设备电子器件供电。发电机可以机械和电连接到主连结器设备电子模块120。
-可充电电池310-可以在掉电后在最初的几秒直到发电机能量充足可用，使得连结器设备能够加电全功能操作。
-电池充电器IC 315-以及当发电机能量可用于日后使用时用于可充电电池充电的支持电子组件。
-Vin选择器320-选择电源-如果可用选择发电机，否则选择电池。
-超级电容器325-存储发电机能量，用于连结器设备在主要电压总线上的操作。
-LDO(低压差电压稳压器)330-调整电压总线并且产生不同组件所需的所有低直流电压。
-扭矩计量器335-一个或若干应变仪贴，附着在连结器设备的机械机构上-测量连结器输入与输出之间的实时扭矩值。
-AMP 340-模拟放大器，放大从应变仪接收的低电压。
-ADC(模拟数字转换器)345-模拟到数字的转换模块，配有模拟开关。用于将实时的模拟电压电平转换为可以被CPU处理的数字数值。
-传感器350-各种额外的和可选的模拟或数字输出传感器设备，例如惯性，温度，霍尔效应，解码器等。
-CPU 355-控制、检测、调整以及监控所有连结器设备的芯片和操作。
-无线电装置360-发送和接收连结器的CPU 355和控制单元的CPU 435之间的数据(图4)。
图4表示根据本发明多个实施例的示例性控制单元140，包括：
-405中的电机-单相或多相电机电压从系统的电柜进入控制单元。操作控制单元所需的电能从电机电压中提取或者可选择的直接由电柜提供。
-电源410-将交流电机电压转换为直流低电压以提供控制单元的多项要求。
-DC选择器415-选择单元的电源-如果可用选择直接直流电源，否则选择电源输出。
-LDO(低压差电压稳压器)420-调整电压总线并且产生不同器件所需的所有低直流电压。
-M 425-系统电机或驱动器，连接到受保护的旋转机械系统，其机械连接到连结器设备。
-继电器430-通过CPU控制(切断开关)开或关电机。
-CPU 435-控制、监测、调整以及监控控制单元的芯片、通信设备和操作系统。
通信芯片-各种通信芯片能够通过有线和无线通信链接连接到以太网局域网、因特网以及蜂窝网络。各种通信芯片由CPU控制和操作：
-USB到UART 445-能够USB直连到计算机，膝上型计算机，平板设备，智能手机等。
-LAN模块450-能够有线的以太网局域网链接。
-Wi-Fi模块455-能够无线的以太网局域网链接。
-蜂窝调制解调器460-能够与蜂窝网络无线通信通信。
-无线电装置465-使得CPU 435与CPU 355通信。接收连结器的数据、故障报警和通知。传输配置数据和与连结器无线电握手。
-传感器470-各种另外的模拟或数字输出传感器，例如可以被实时监测的温度传感器。
图5为示意图，表示系统100A通信。控制单元140可以通过有线或无线连接连接到膝上型计算机510，PC 520，平板设备530，智能手机540等，从而接收操作参数，例如扭矩限值，发送关于实时通知问题的系统行为的通知和诊断，提供按天、按周、按月等的周期性报告、事件日志、图表等给控制中心，机械支持工程师等。控制单元140与旋转机械连结器110通过无线连接进行连接：
-旋转机械连结器110接收来自控制单元140的扭矩限值输入值。
-当超过扭矩限值的时候，控制单元140接收来自旋转机械连结器110的通知。
-控制单元140接收来自旋转机械连结器110的如下测量值：扭矩以及可选的速度、旋转方向、振动等。
操作参数，例如扭矩限值可以由工程师手动提前编程，使用膝上型计算机、平板设备、智能手机等通过有线或无线与控制单元140连接。
根据本发明的多个实施例，旋转机械连结器110或控制单元140采集预定时间的扭矩测量值，计算平均扭矩并将其设定为扭矩限值。
旋转机械连结器110还允许一个扭矩范围而不仅是一个单独的数值。扭矩范围防止由于临时的过载力矩而提供器断开的情况，另外，扭矩范围使得控制单元140可以发送按照不同重要程度和紧急程度的通知给控制中心或者机械支持工程师，并且由此预期系统失效。例如，如果控制中心或机械支持工程师得到关于所测量的扭矩在扭矩范围上限附近的频繁通知，他们会得出系统的至少一个元件要失效的结论。
正如上面提到的，可以由控制单元140发送多个通知和诊断，还可以在控制单元内或者英特网云服务器等中将通知和诊断存储为日志和/或图表，以备后期提取。
控制单元140监测系统行为。监测可以采用若干种方式完成。
图6为示例性图表，展示时域内的监测。对于每天，控制单元监测扭矩、速度、振动、噪声，温度等，并且将它们在图中显示(一些数据从旋转机械连结器110处接收)。
图7为示例性图表，展示频域内的监测。对于每个频率，控制单元监测扭矩、振动、噪声、速度等，并且将它们在图中显示(一些数据从旋转机械连结器110处接收)。
对于每个图表，用户选择观察实时数据或已经被保存在系统中的历史数据。用户还可以选择在图上增加滤波器，从而观察特定的特征。他还可以选择保存或者输出已经采集的数据。
图8为根据本发明多个实施例的示例性事件日志。对于每个事件，日志会存储日期和小时、设备类型、设备UID、事件、数值和周期性监测的事件细节。
每个设备(110和140)有一个唯一的UID从而确保电子模块120仅与其特定的控制单元140通信，而不是其他系统的单元。
事件日志可以出于各种使用被分享、保存、打印等。
图9为根据本发明多个实施例的示例性通知。控制单元140可以如上所示通过声音、SMS、电子邮件、发送消息应用(例如WhatsApp)等发送消息。
根据本发明的多个实施例，大量系统会按照层次顺序连接。例如，如果大量力矩提供器按列连接，并且第一力矩提供器停止工作，系统也会停止所有其他力矩提供器，从而防止过载。
图10为流程图，表示由控制单元140执行的根据本发明实施例的过程。
只要一打开力矩提供器(该实施例中为电机)的电源过程就从步骤1005开始。步骤1010中，控制单元140被初始化，而步骤1015中电机继电器(切断开关)被打开。继电器使得/不使得力矩提供器如上述运行。步骤1020中，单元重置“有效标志”定时器。“有效标志”是远程设备正在工作的信号。步骤1025中单元检查“有效标志”信息是否已经从远程设备110接收。如果还没有，单元在步骤1030中检查“有效标志”定时器是否超时。如果没有，过程继续回到步骤1025；如果是，这就意味着远程设备110有问题，并且关闭继电器(切断开关)(步骤1035)防止任何可能的损伤。步骤1040中，单元根据预定的规则(可选)发出通知且在步骤1045中，其等待重启。如果步骤1025中“有效标志”信息已经被收到，单元继续到步骤1050，并且检查是否已经收到“故障电机”的信息。“故障电机”信息指示由远程设备检测到的问题(例如过载)。如果已经收到“故障电机”信息，单元继续到步骤1035，1040和1045。如果还没有，单元在步骤1055检查根据预定规则是否要求通知，如果不要求，过程回到步骤1020，如果要求，单元在步骤1060发出通知并且回到步骤1020。
图11为流程图，表示根据本发明实施例由远程设备执行的过程。
只要发电机开始工作，过程就从步骤1105开始。步骤1110中，远程设备被初始化，并且步骤1115中设备开始采样输入。步骤1120中，设备构建“有效标志”信息并且在步骤1125中单元检查根据多个输入是否要求问题通知。如果要求，步骤1130中，设备增加“故障电机”信息到“有效标志”信息中，并且在步骤1135中广播“有效标志”信息。如果没有，过程继续直接到步骤1135，并且播放“有效标志”信息。步骤1140中，设备进入“休眠”X毫秒从而节约能量，并且在步骤1145“唤醒”。“休眠”时间使得系统在所得到的电压较低的情况下节约能量。只要过程“唤醒”，其回到步骤1115。
对本领域技术人员清楚的是，本发明不限于前面所说明实例的细节且本发明可以具体实现为其他特定形式，而不会偏离其中的基本属性，并且因此期望本实施例和实例被认为在各个方面都是说明性而不是限制性的。另外，可以理解的是，本发明的具体方面的某些特征可以与本发明其他方面细化的特定的特征合并，从而本发明的任何实施例可以包括这里所公开的一个或所有特征。
Claims (41)
1.一种用于保护旋转机电系统免受损害的系统，包括：
-连结器，配置用于将力矩提供器与负载连接，
包括：
-第一通信装置；
-第一CPU；
-第一能量提供装置；以及
-至少一个传感器；
-控制单元，包括：
-第二通信装置；
-第二能量提供装置；以及
-第二CPU；
所述连结器配置为使用所述至少一个传感器，用于执行测量以及与所述控制单元通信。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一能量提供装置包括集成发电机。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一能量提供装置包括电池。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元另外包括开关，配置用于关闭或打开所述力矩提供器的电源。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述连结器另外包括第一输入装置。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元另外包括第二输入装置。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
8.根据权利要求6所述的系统，其中所述第二输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述连结器另外包括与所述第一CPU连接的显示器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元另外包括与所述第二CPU连接的显示器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个传感器包括扭矩传感器、振动传感器、速度传感器、惯性传感器、霍尔效应传感器、温度传感器、旋转方向传感器和麦克风中至少一个。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元另外包括至少一个传感器。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述至少一个传感器包括温度传感器、振动传感器和麦克风中至少一个。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一通信装置和第二通信装置包括无线和有线通信中至少一个。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二能量提供装置包括电源。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二能量提供装置包括电池。
17.一种连结器，配置用于将力矩提供器与负载连接，包括：
-CPU；
-能量提供装置；和
-至少一个传感器；
所述连结器配置用于从所述至少一个传感器采样测量值。
18.根据权利要求17所述的连结器，其中所述连结器另外配置用于保存所述采样。
19.根据权利要求17所述的连结器，其中所述至少一个传感器包括扭矩传感器、振动传感器、速度传感器、惯性传感器、霍尔效应传感器、温度传感器、旋转方向传感器和麦克风中至少一个。
20.根据权利要求17所述的连结器，其中所述能量提供装置包括集成发电机。
21.根据权利要求17所述的连结器，其中所述能量提供装置包括电池。
22.根据权利要求17所述的连结器，其中所述连结器另外包括通信装置。
23.根据权利要求22所述的连结器，其中所述通信装置包括无线和有线通信中至少一个。
24.根据权利要求17所述的连结器，其中所述连结器另外包括输入装置。
25.根据权利要求24所述的连结器，其中所述输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
26.根据权利要求17所述的连结器，其中所述连结器另外包括与所述CPU连接的显示器。
27.一种控制单元，配置用于与力矩提供器通信，包括：
-CPU；
-至少一个传感器；
-能量提供装置；以及
-切断开关，配置用于断开所述力矩提供器电源；
所述控制单元配置用于从所述至少一个传感器采样测量值。
28.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述控制单元另外配置用于保存所述采样。
29.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述至少一个传感器包括温度传感器、振动传感器和麦克风中的至少一个。
30.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述控制单元另外包括输入装置。
31.根据权利要求30所述的控制单元，其中所述输入装置包括键盘、计算机鼠标和膝上型计算机中的至少一个。
32.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述控制单元另外包括与所述CPU连接的显示器。
33.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述控制单元另外包括通信装置。
34.根据权利要求33所述的控制单元，其中所述通信装置包括无线和有线通信中至少一个。
35.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述能量提供装置包括电源。
36.根据权利要求27所述的控制单元，其中所述能量提供装置包括电池。
37.一种保护旋转机电系统免受损害的方法，包括：
-通过远程设备采样力矩提供器的输入；
-将所述输入与预定阈值比较；
-向控制单元连续广播消息，所述消息指示远程设备的状态以及比较结果；
-由控制单元分析所述消息；并且
-根据所述分析来确定是否切断所述力矩提供器的电源。
38.根据权利要求37所述的方法，其中所述方法另外包括由发电机发电。
39.根据权利要求37所述的方法，其中所述方法另外包括由所述控制单元和所述远程设备中的至少一个接收至少一个操作参数。
40.根据权利要求37所述的方法，其中所述方法另外包括由所述控制单元和所述远程设备中的至少一个发送与操作测量值相关的至少一个通知。
41.根据权利要求37所述的方法，其中所述方法另外包括显示事件日志、通知日志和事件图表中的至少一个。
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